Лекция
доцента кафедры системного программирования и компьютерной безопасности
Гродненского госуниверситета имени Янки Купалы
канд. техн. наук Ливак Елены Николаевны

по дисциплине «Организация и функционирование компьютерных систем»

ВВЕДЕНИЕ В АРХИТЕКТУРУ ПЕРСОНАЛЬНЫХ КОМПЬЮТЕРОВ


Состав персонального компьютера
Понятие архитектуры
Общие архитектурные свойства и принципы
Архитектурные особенности компьютеров

Состав персонального компьютера

Компьютер строится из конкретного набора узлов (блоков, элементов, компонентов).
Перечислим кратко отдельные узлы компьютера.
Внутри корпуса (системного блока) компьютера расположены Основным узлом компьютера является материнская плата. На ней расположен микропроцессор с микросхемами, обеспечивающими его работу.
Здесь же размещены: память, контроллер клавиатуры и разъем для подключения клавиатуры.
Управление различными системами компьютера (аудио, видео, дисковыми накопителями и т.д.) осуществляется специальными контроллерами (адаптерами, картами).
При подключении контроллер вставляется в соответствующий системный разъем материнской платы, а к нему кабелем или шлейфом присоединяется устройство.
Современный персональный компьютер обычно включает в себя следующие устройства: Компьютер может также быть оснащен многими другими устройствами, такими как, например, принтер, модем, сканер, плоттер и т.д.
Обратим внимание, что выше мы обсуждали именно состав компьютера, но не его архитектуру.

Понятие архитектуры

В основе любого устройства лежат базовые принципы, на основе которых строится в дальнейшем вся система.
Набор этих принципов часто называют архитектурными принципами, или архитектурой.
Рассмотрим некоторые архитектурные принципы на примере персональных компьютеров производства компании Apple Computer и компании IBM (International Business Machines).
Компания Apple производит широко известные компьютеры Macintosh
Основные отличия: Согласно принципу Apple Такой подход к построению компьютера гарантирует высокое качество и надежность персональных компьютеров Macintosh.
IBM-совместимые компьютеры строятся на базе принципа открытой архитектуры.
Это означает, что компьютер составлен из отдельных узлов (блоков), и пользователю предоставляются широкие возможности изменять состав компьютера, заменяя одни узлы другими.
Производством узлов для IBM-совместимых компьютеров и сборкой самих компьютеров занимаются фирмы из разных стран.
Такой подход к построению компьютера предоставляет:
  1. возможности для массового производства,
  2. открывает широкие возможности дальнейшего совершенствования.
Под архитектурой принято также понимать совокупность всех программно доступных аппаратных средств процессора.
В этом смысле понятие архитектуры является комплексным и включает в себя [1]: Таким образом, понятие архитектуры включает в себя практически всю необходимую для программиста информацию о компьютере.
Все современные компьютеры обладают некоторыми общими и индивидуальными свойствами архитектуры.

Общие архитектурные свойства и принципы [1]

Эти свойства и принципы присущи всем современным машинам фон-неймановской архитектуры.
Принцип хранимой программы. Согласно этому принципу, код программы и ее данные находятся в едином адресном пространстве в оперативной памяти. С точки зрения процессора нет принципиальной разницы между данными и командами.
Принцип микропрограммирования. В состав процессора входит блок микропрограммного управления. Этот блок для каждой машинной команды имеет набор действий-сигналов, которые нужно сгенерировать для физического выполнения требуемой машинной команды.
Линейное пространство памяти. Оперативная память (ОП) организована как совокупность ячеек памяти (байтов), которым последовательно присваиваются номера (адреса) 0, 1, 2 …
Последовательное выполнение программ. Процессор выбирает из памяти команды строго последовательно. Для изменения прямолинейного хода выполнения программы или осуществления ветвления необходимо использовать специальные команды условного и безусловного перехода.
Безразличие к целевому назначению данных. Машине все равно, какую логическую нагрузку несут обрабатываемые ею данные.

Индивидуальные архитектурные принципы микропроцессоров Intel (на примере i486 и Pentium)

Суперскалярная архитектура.
В микропроцессоре i486 появился важный элемент архитектуры – КОНВЕЙЕР – специальное устройство, реализующее такой метод обработки команд внутри микропроцессора, при котором исполнение команды разбивается на несколько этапов.
Например, i486 имеет пятиступенчатый конвейер с такими этапами обработки команд: Таким образом, на конвейере может находиться одновременно пять команд на различной стадии выполнения ⇒ существенно возрастает скорость вычислений.

Микропроцессоры, имеющие один конвейер, называются скалярными (например, i486).
Микропроцессоры, имеющие более одного конвейера, называются суперскалярными.

Например, суперскалярными являются микропроцессоры Pentium (2 конвейера), Pentium Pro (3 конвейера по 14 ступеней) и последующие модели.
Раздельное кэширование кода и данных
Кэширование – способ увеличения быстродействия системы за счет хранения часто используемых данных и кодов в «кэш-памяти 1-го уровня» (быстрой памяти), находящейся внутри микропроцессора. Так, i486 содержит 1 блок встроенной кэш-памяти размером 8 Кбайт, который используется для кэширования и кодов, и данных. Pentium содержит уже 2 блока кэш-памяти: один для кода, один для данных (по 8 Кб) ⇒ увеличивается скорость работы компьютера за счет одновременного быстрого доступа к коду и данным.
Предсказание правильного адреса перехода
Под переходом здесь понимается запланированное алгоритмом изменение последовательного характера выполнения программы.
Статистика показывает, что типичная программа на каждые 6-8 команд содержит 1 команду перехода (условные операторы, операторы цикла, оператор безусловного перехода и т.д.) ⇒ через каждые 6-8 команд необходимо очищать и заполнять заново конвейер ⇒ теряются преимущества конвейеризации.
Поэтому в архитектуру микропроцессоров (Pentium) был введен механизм предсказания переходов. Суть этого механизма заключается в следующем. Вводится специальный буфер адресов перехода, который хранит информацию о последних переходах (для Pentium – о 256 переходах). Для команды, управляющей ветвлением, в буфере запоминаются сама команда, адрес перехода и предположение о том, какая ветвь программы будет выполнена следующей.
Например, в ходе выполнения цикла принимается решение о выходе из цикла либо о переходе на его начало. Блок предсказания адреса перехода прогнозирует решение программы. При этом он основывается на предположении, что ветвь, которая была пройдена, будет использоваться снова (т.е. прогнозируется переход на начало цикла), и загружает соответствующую команду на конвейер. Если предсказание верно, переход осуществляется без задержки ⇒ увеличение скорости работы. Вероятность правильного предсказания составляет около 80%.
Усовершенствованный блок вычислений с плавающей точкой.
Выполняет одну команду с плавающей точкой за один такт микропроцессора.
Вычисления с плавающей точкой – неотъемлемая часть видеоприложений (CAD, 3D-графика и т.п.)
Так, i486DX впервые был интегрирован на одной подложке с математическим сопроцессором. Предыдущие семейства процессоров использовали внешний математический сопроцессор.
В Pentium обычные математические функции вычислений с плавающей точкой (+, *, / ) реализованы аппаратно (целочисленная конвейеризация дополнена четырехтактовыми конвейерными командами вычислений с плавающей точкой).
Расширенная 64-битовая (Pentium) шина данных
Шина данных является главной магистралью, которая передает информацию между процессором и подсистемой памяти.
Увеличение разрядности шины данных существенно повышает скорость передачи данных.

Использованная литература
  1. Юров В., Хорошенко С. Assembler: учебный курс. – СПб: Питер Ком, 1999. – С. 21-53.
  2. Волчок В.А. Микропроцессоры: Избранные лекции. – Гродно: ГрГУ, 1997. – 89 с.